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黄原胶改良粉土的动强度特性及其微观分析

应用基础与工程科学学报 2024年第3期32卷 900-909页

作者：张俊然杨峥姜彤华北水利水电大学河南省岩土力学与水工结构重点实验室河南郑州450046

地震和车辆振动等荷载易对路基粉土的强度造成破坏,通常使用水泥和石灰等传统材料对粉土进行改良,但对环境造成了不可逆的损害,研究环境友好型生物聚合物——黄原胶改良粉土动强度特性及机理显得非常必要.通过改变黄原胶的掺量,采用扫... 详细信息

地震和车辆振动等荷载易对路基粉土的强度造成破坏,通常使用水泥和石灰等传统材料对粉土进行改良,但对环境造成了不可逆的损害,研究环境友好型生物聚合物——黄原胶改良粉土动强度特性及机理显得非常必要.通过改变黄原胶的掺量,采用扫描电镜和动三轴仪对黄原胶改良粉土进行一系列的微观分析和动强度试验.试验结果表明:动强度曲线符合幂函数关系,且随着黄原胶掺量的增加而上移.动黏聚力随着黄原胶掺量的增加而增大,强化效果在掺量较大时趋于平稳;而动内摩擦角受黄原胶掺量的影响较小.由微观分析可知,随着黄原胶掺量的增加,黄原胶有效填充了土颗粒间的孔隙并附着在土颗粒表面,形成纤维状和网状结构,从而增强了土颗粒间的联结能力,并导致了改良土的动强度和动黏聚力的提高.上述研究成果可为相关岩土工程的设计和施工提供科学依据,同时满足了黄河流域生态保护和高质量发展战略的需求.

关键词：黄原胶粉土动强度生态保护扫描电镜动三轴试验

基于BP-DEMATEL的山西省冬小麦水足迹影响因素识别

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水资源保护 2024年第2期40卷 9-15页

作者：韩宇平马伏枥贾冬冬黄会平张庚辰苗浩东华北水利水电大学水资源学院河南郑州450045 华北水利水电大学河南省黄河流域水资源节约集约利用重点实验室河南郑州450045

针对山西省冬小麦水足迹历史演变及关键影响因素识别问题,分析了1993—2021年山西省冬小麦水足迹历史演变规律,利用BP神经网络-决策实验室(BP-DEMATEL)模型对冬小麦水足迹演变的关键影响因素进行识别,将其分为驱动型因素及特征型因素,... 详细信息

针对山西省冬小麦水足迹历史演变及关键影响因素识别问题,分析了1993—2021年山西省冬小麦水足迹历史演变规律,利用BP神经网络-决策实验室(BP-DEMATEL)模型对冬小麦水足迹演变的关键影响因素进行识别,将其分为驱动型因素及特征型因素,并揭示了影响因素之间的作用机制。结果表明:1993—2021年山西省冬小麦水足迹及单位水足迹均呈下降趋势;2021年山西省冬小麦总水足迹为27亿m^(3)(蓝水占比57%),单位水足迹为1 122 m^(3)/t,与前期高点相比分别下降38%(较1994年)和21%(较1993年);气温、相对湿度和灌溉面积为冬小麦水足迹演变的关键驱动型因素,化肥施用量和农业机械总动力为关键特征型因素。

关键词： BP神经网络-决策实验室模型水足迹冬小麦山西省

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床沙级配调整对黄河下游洪水演进的影响

水力发电学报 2024年第3期43卷 14-23页

作者：张晓雷徐志恒杨晨毕峥峥华北水利水电大学水利学院郑州450046 水利部黄河流域水治理与水安全重点实验室(筹) 郑州450003 河南省水圈与流域水安全重点实验室郑州450046 华北水利水电大学黄河流域水资源高效利用省部共建协同创新中心郑州450046

小浪底水库运行以来,进入黄河下游的水沙条件出现了较大变化,受水库清水下泄影响,黄河下游床沙粒径出现了明显的粗化。为了探讨床沙级配粗化对黄河下游洪水演进的影响,本文首先建立了适用于黄河下游的一维水沙耦合数学模型,然后采用花... 详细信息

小浪底水库运行以来,进入黄河下游的水沙条件出现了较大变化,受水库清水下泄影响,黄河下游床沙粒径出现了明显的粗化。为了探讨床沙级配粗化对黄河下游洪水演进的影响,本文首先建立了适用于黄河下游的一维水沙耦合数学模型,然后采用花园口至孙口河段2020年4—10月的实测洪水过程对模型进行了验证;其次根据河段床沙粗化特点,并以花园口床沙粗化过程为代表,设计了4组床沙级配作为模拟计算的初始床沙条件;最后采用验证后的模型进行了模拟计算,分析了床沙级配调整对洪水演进的影响。结果表明:床沙级配调整对黄河下游的流量、水位、含沙量、洪水演进时间以及河段冲淤量均有影响,但是对流量影响较小,而水位、含沙量、洪水演进时间与河段冲淤量对床沙级配的改变响应较为敏感。床沙中值粒径d_(50)由0.076 mm(级配1)增至0.242mm(级配4)时,夹河滩断面水位增高0.89 m,花园口至孙口河段冲淤量由冲刷0.679亿m^(3)转变为淤积0.059亿m^(3),冲刷量减幅为109%。研究结果可为新水沙情势下黄河下游河道治理提供借鉴与参考。

关键词：一维水沙耦合模型床沙粗化洪水演进冲淤变化黄河下游

基于物理信息神经网络的长距离顶管施工顶力预测

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人民长江 2024年

作者：李博刘宇翔陈建国杨耀红张哲河南省水利第一工程局集团有限公司华北水利水电大学水利学院河南省水圈与流域水安全重点实验室

长距离顶管施工过程中，合理准确预测顶力是有效控制施工安全质量进度的关键问题。本文基于知识数据融合的机器学习建模方法，将顶力计算物理模型与多层感知机（Multi-later Perceptron）相融合，构建了物理-数据双驱动的物理信息神经... 详细信息

长距离顶管施工过程中，合理准确预测顶力是有效控制施工安全质量进度的关键问题。本文基于知识数据融合的机器学习建模方法，将顶力计算物理模型与多层感知机（Multi-later Perceptron）相融合，构建了物理-数据双驱动的物理信息神经网络模型 (Physics-informed neural networks， PINN)，用物理机制约束神经网络的训练机制，并引入改进的麻雀搜索算法（Improved Sparrow Search Algorithm）对模型超参数取值进行优化，建立了ISSA-PINN顶管施工顶力预测模型。以郑开同城供水顶管工程为例，选取524组工程实测数据验证模型有效性。计算结果表明：ISSA-PINN模型具有较高的预测精度，ISSA-PINN融合模型在测试集和新数据集中预测性能表现相较于单纯数据驱动模型提升了7%和17%，说明物理模型的融入对模型降低过拟合风险和提高模型泛化能力有积极影响；相比于SSA和粒子群算法，ISSA算法寻优速度更快、适应度更好。研究结果可为顶管工程施工顶力控制提供参考。

关键词：顶管施工顶力预测物理信息神经网络物理数据双驱动

解密全球河川径流季节性对气候变化的响应机制

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科学通报 2024年第25期69卷 3686-3688页

作者：刘俊国王泓来和鑫华北水利水电大学水利学院河南省水圈与流域水安全重点实验室南方科技大学环境科学与工程学院

地球水循环犹如我们身体内不断流动的血液,为地球上的生灵创造了生机.河川径流作为水循环的主要环节,为人类和生态系统提供了宝贵的水资源,并在调节洪涝灾害方面扮演着重要角色.河川径流是衡量人类和环境可用水资源量的重要指标.人类活...

地球水循环犹如我们身体内不断流动的血液,为地球上的生灵创造了生机.河川径流作为水循环的主要环节,为人类和生态系统提供了宝贵的水资源,并在调节洪涝灾害方面扮演着重要角色.河川径流是衡量人类和环境可用水资源量的重要指标.人类活动通过修建水库等水利工程可以直接调控河川径流,同时也能通过改变气温、降水、土壤湿度、融雪状况或土地利用方式间接地影响径流.

关键词：

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定岗湖湿地水动力及水体交换特性分析

环境工程学报 2024年第6期18卷 1614-1623页

作者：李正阳刘俊国张晓雷鞠俊彦户东东华北水利水电大学水利学院郑州450046 河南省水圈与流域水安全重点实验室郑州450046 南方科技大学环境科学与工程学院深圳518000

为最大程度地发挥生态湿地的净化潜能,缓解并改善水体质量。以深圳市定岗湖湿地公园为例,通过不同河床糙率、阶梯水位等因素制定了4种补水方案,基于有限体积法建立了包含水龄模块的二维水动力数学模型,结合3~5 m的网格尺度对湖区开展了... 详细信息

为最大程度地发挥生态湿地的净化潜能,缓解并改善水体质量。以深圳市定岗湖湿地公园为例,通过不同河床糙率、阶梯水位等因素制定了4种补水方案,基于有限体积法建立了包含水龄模块的二维水动力数学模型,结合3~5 m的网格尺度对湖区开展了精细模拟,对比分析了沉淀塘、砾石床、沉水塘和出水塘的水动力空间分布以及水体交换特性。结果表明,在湖区高处的狭长水域开展生态补水措施,在水动力上能提高水体的流动性与交换效果,湖区54.23%的水动力得到明显提升,较其他方案分别提升22.9%、2.6%、1.7%;在水龄上能使84.79%水域在10 d内完全更新一次,远高于其他方案73.66%、82.96%、84.55%。受限于出水塘的东部地形边界局部存在凹岸,4种生态补水措施的形成的滞留区占比分别为0.84%、0.80%、0.79%和0.78%。研究成果不仅可为定岗湖水体流动特性及生态补水效果提供决策支持,还可对城市景观设计以及环境保护提供科学指导。

关键词：二维水动力数学模型生态补水方案水龄数值模拟

黄河流域生态系统服务供需变化及其驱动因素分析

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环境科学 2024年

作者：盖莹莹赵衡王富强华北水利水电大学水资源学院河南省黄河流域水资源节约集约利用重点实验室

生态系统服务与人类可持续发展紧密相连，研究区域生态系统服务供需特征，识别其主要驱动因素是实现生态资源有效配置和保障区域生态安全的重要前提。采用InVEST模型计算分析黄河流域2001～2021年水源涵养、固碳释氧和生境质量服务的时... 详细信息

生态系统服务与人类可持续发展紧密相连，研究区域生态系统服务供需特征，识别其主要驱动因素是实现生态资源有效配置和保障区域生态安全的重要前提。采用InVEST模型计算分析黄河流域2001～2021年水源涵养、固碳释氧和生境质量服务的时空演变特征及供需匹配状况，并基于最优参数地理探测器模型进行驱动因子分析。结果表明：①与2001年相比，2021年水源涵养、固碳释氧和生境质量服务供给量均有所增加，固碳释氧和生境质量服务空间分布相似；水源涵养服务受降水和蒸散发等综合影响，在空间上呈现无规律分布。②生态系统各项服务需求量的空间分布基本一致：流域中下游生态系统服务需求量较高，上游河源区较低，且均呈波动性增加趋势。③黄河流域水源涵养、固碳释氧和生境质量服务的空间分布在栅格尺度上呈现供需关系不均衡、地区差异较大等特征；在省区尺度上水源涵养和生境质量供需关系相对均衡，整体上供大于求，固碳释氧服务的供需指数呈现持续下降趋势，供需矛盾突出。④生态系统服务的供给侧显著受自然因素调节，而需求侧则主要受人类活动和社会经济因素的驱动，人口密度和GDP密度增加了生态系统服务需求，抑制着生态系统服务供需平衡，是生态服务供需比的主要影响因素。研究成果可为黄河流域建立生态补偿机制提供参考依据。

关键词：黄河流域生态系统服务供需关系 InVEST模型最优参数地理探测器模型

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气候变化背景下的水资源管理与粮食安全保障

中国水利 2024年

作者：刘俊国刘明欢徐沙沙华北水利水电大学黄河研究院河南省水圈与流域水安全重点实验室

气候变化对全球水循环和粮食生产模式产生了深远影响，从而增加了水资源管理和粮食安全的不确定性及挑战。分析了气候变化对降水、径流、蒸散发、土壤水及地下水等水循环要素的影响，评估了温度上升、温室气体排放及极端天气事件对作物... 详细信息

气候变化对全球水循环和粮食生产模式产生了深远影响，从而增加了水资源管理和粮食安全的不确定性及挑战。分析了气候变化对降水、径流、蒸散发、土壤水及地下水等水循环要素的影响，评估了温度上升、温室气体排放及极端天气事件对作物生长、产量以及粮食安全的潜在影响。针对上述挑战，提出了包括推进国家水网建设、实施农业节水措施、减少农业排放及固碳、培育抗逆性强的作物品种和协同管理水-粮-能系统等应对策略，并建议根据不同的气候模式和水资源管理条件进行差异化研究，制定因地制宜的气候变化适应性策略。

关键词：气候变化水资源管理粮食安全水安全

河南省沿黄城市生态系统服务权衡/协同关系研究

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华北水利水电大学学报(自然科学版) 2024年

作者：盖莹莹赵衡王富强张红璐河南省黄河流域水资源节约集约利用重点实验室华北水利水电大学水资源学院

解析生态系统服务间权衡和协同的时空特征是可持续生态系统服务管理的基础和前提。本研究以河南省沿黄8地市为研究区域，采用InVEST模型和市场价值法，评估了2011年和2021年碳储量、生境质量、产水量和食物供给4项生态系统服务，并利用S... 详细信息

解析生态系统服务间权衡和协同的时空特征是可持续生态系统服务管理的基础和前提。本研究以河南省沿黄8地市为研究区域，采用InVEST模型和市场价值法，评估了2011年和2021年碳储量、生境质量、产水量和食物供给4项生态系统服务，并利用Spearman相关系数分析了各项生态系统服务间的权衡与协同关系。研究结果表明:(1)2011年与2021年生境质量、碳储量和食物供给服务空间分布变化不大，生境质量、碳储量服务高值区主要位于太行山地、豫西山地生态区以及黄河沿岸，低值区集中于各市辖区;食物供给服务高值区集中于平原区。(2)与2011年相比，2021年各项生态系统服务均有变化，平均生境质量下降了0.011，碳储量减少了236.19万t，产水量增加了54.21亿m3，食物供给服务价值增加了1 218.82亿元。(3)从权衡关系看，碳储量、生境质量、产水量和生境质量4项生态服务两两之间均为显著相关，其中食物供给、生境质量和碳储量之间为互相增益的协同关系;产水量与生境质量、碳储量、食物供给服务表现为相关系数不稳定的协同关系。研究成果可为探讨快速城市化地区多种生态系统服务之间权衡协同关系及其优化提供参考依据。

关键词： InVEST模型生态系统服务 Spearman相关性权衡协同关系河南省沿黄城市